JP6917291B2 - 非接触環状シール、遠心ポンプ、インペラリング、及びケーシングリング - Google Patents

Description

本発明は非圧縮性流体を移送するための遠心ポンプに関し、特に、遠心ポンプの羽根車とケーシング間に用いられる非接触環状シールに関する。

圧縮性流体（例えば、水）を移送するためのポンプとして、遠心ポンプが知られている。遠心ポンプは、羽根車の半径方向外側にディフューザが設けられたディフューザポンプと、羽根車の半径方向外側にボリュート室が設けられた渦巻ポンプとに大別される。渦巻ポンプでは、羽根車から吐出された液体が直接ボリュート室に流入し、ディフューザポンプでは、羽根車から吐出された液体はディフューザを通過し、液体の速度エネルギが圧力エネルギに変換される。

図１は、遠心ポンプの液体の流入部及び吐出部を示す概略断面図である。図１に示されるように、遠心ポンプにおいて羽根車１０１から吐出された液体は、羽根車１０１の液体入口１０１ａにおける液体の圧力ＰＬよりも高い圧力Ｐｈを有する。羽根車１０１から吐出された液体の多くは、加圧された液体を必要とする送水先に送られる。すなわち、液体は、ケーシング１０３を貫通する吐出流路１０６を通じてポンプ外の需要者などに向けて送水され、これにより、ポンプ本来の機能が達成される。

ところで、羽根車１０１を収容するケーシング１０３と、羽根車１０１との間には、回転する羽根車１０１がケーシング１０３と接触しないように、隙間が設けられている。その隙間の吸込側の圧力は圧力ＰＬであり、隙間の吐出側の圧力は圧力Ｐｈである。したがって、隙間の吸込側と吐出側には圧力差が存在する。このため、羽根車１０１から吐出された液体の一部は、送水先に送られずに、羽根車１０１とケーシング１０３との間の隙間を通って、羽根車１０１の吸込側に流入する漏れ流れ（図１に示す一点鎖線矢印参照）となる。すなわち、羽根車１０１から吐出された液体の一部は、再び羽根車１０１の吸込側に戻される。

このような吐出側から吸込側への漏れ流れは、ポンプ効率を低下させる。この漏れ流れを低減するため、ロータ（羽根車）とステータ（ケーシング）の間の隙間には、非接触環状シールが設けられる。一般に、非接触環状シールの形態がどのようなものであっても、ロータとステータの間の隙間を小さくするほど漏洩量を低減することができる。しかしながら、ロータには軸を中心とした振れ回りがあるので、隙間を狭めるほど、羽根車の回転時に羽根車とケーシングが接触しやすくなる。その結果、羽根車又はケーシングの破損、両者の摺動摩耗による動力ロス、又は異音振動の発生等の、安定的なポンプの運転には好ましくない状態が発生する恐れがある。したがって、隙間を小さくすることには限界がある。

羽根車とケーシングが接触しても破損または摩耗が発生し難いように、羽根車１０１側の接触面には、インペラリング１０５ａ（ウェアリング）が設けられ、ケーシング１０３側の接触面には、ケーシングリング１０５ｂ（ライナーリング）が設けられる。具体的には、インペラリング１０５ａは、羽根車１０１のシュラウド１１６の吸込側端部に固定される。また、ケーシングリング１０５ｂは、ケーシング１０３の壁面に固定される。インペラリング１０５ａ及びケーシングリング１０５ｂにより、ウェアリング部１０５が形成される。なお、インペラリング１０５ａ及びケーシングリング１０５ｂは、ともに環状であり、破損しにくい材料で形成される。

このように、インペラリング１０５ａの外周面とケーシングリング１０５ｂの内周面とを、僅かな隙間を設けて対向させてウェアリング部１０５を形成することで、このウェアリング部１０５を、漏れ流れを制限する非接触環状シールとして機能させることができる。また、このウェアリング部１０５によれば、インペラリング１０５ａとケーシングリング１０５ｂが接触して破損又は摩耗が発生したとしても、それら２つのリングを交換するだけでポンプを修理することができる。

非接触環状シールは、その形態に基づいて２種類に大きく分類される。非接触環状シールの第一の形態は、流路面、すなわち隙間を有して向かい合うインペラリングの外周面とケーシングリングの内周面とが、平行に滑らかに向かい合っている状態の平行環状シールである。即ち、平行環状シールの互いに対向する面は平滑面である。非接触環状シールの第二の形態は、流路面の各々またはどちらか一方の面に溝や穴などが形成された環状シールである。流路面の凹凸の形状により、圧力場がなだらかになる一方で、回転体の摩擦力の影響が増加する。

第一の形態と第二の形態を比較すると、いずれの形態も一長一短がある。第一の形態の平行環状シールは、第二の形態に比べて加工が容易であり、振動が発生しにくい。しかしながら同一の最少隙間寸法の第二の形態の環状シールに比べて漏れ量が多いという欠点がある。溝又は穴などが形成された第二の形態の環状シールは、同一の最少隙間寸法の第一の形態の環状シールに比べて漏れ量を少なくすることができる。しかしながら、第二の形態の環状シールでは振動が生じ易く、また加工費用がかかるという欠点がある。なお、第二の形態における上記振動は、流体の性質に応じてその程度が異なる。具体的には非圧縮性流体では、他の性質の流体に比べ、振動が激しくなる傾向がある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものである。その目的は、非圧縮性流体を移送するための遠心ポンプにおいて、製造コストが安価で、吐出側から吸込側への環状シールを通した漏れ流れを低減させることができ、しかも振動が発生しにくいウェアリング部を備えた遠心ポンプを提供することである。

本発明の第１形態によれば、回転体と、前記回転体と半径方向に隙間を有して対向する静止部材とを備え、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールが提供される。前記回転体及び前記静止部材は、互いに対向する平滑な対向面を有し、前記回転体及び前記静止部材の少なくとも一つは、前記軸方向に平行な断面において前記対向面に対して鋭角に傾斜するように構成された傾斜面を、前記高圧側の端面に有する。

本発明の第２形態によれば、回転機械の回転体と静止部材が、互いに半径方向に隙間を有して向かい合う部分で、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールが提供される。この非接触環状シールは、前記隙間で向かい合う回転体と静止部材の各々の面が、平行に滑らかに向かい合っているとともに、前記軸方向に平行な断面において、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間の断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角が鋭角な形状である。

本発明の第３形態によれば、第２形態の非接触環状シールにおいて、前記隙間の高圧側入り口は、前記回転機械のポンプ機能による流れ方向とは異なる方向に向けた流れが流入する。

本発明の第４形態によれば、第２又は第３形態の非接触環状シールにおいて、前記回転体と前記静止部材の前記隙間で向かい合う各々の面が、前記隙間の高圧側端部から低圧側端部まで平行に滑らかに向かい合っている。

本発明の第５形態によれば、第２形態から第４形態のいずれかの非接触環状シールにおいて、前記隙間の高圧側と低圧側の圧力差は１ｋｇｆ/ｃｍ^２以上である。

本発明の第６形態によれば、第２形態から第５形態のいずれかの非接触環状シールにおいて、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角は１５度から６０度である。

本発明の第７形態によれば、第２形態から第６形態のいずれかの非接触環状シールにおいて、前記回転体と該静止部材の該隙間を形成する平行線の長さLと、該回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす鋭角により形成される尖縁部高さｈとの比ｈ／Ｌが０．２以上０．５以下である。

本発明の第８形態によれば、回転体と、前記回転体と半径方向に隙間を有して対向する静止部材とを備え、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールを備えた遠心ポンプが提供される。前記回転体及び前記静止部材は、互いに対向する平滑な対向面を有し、前記回転体及び前記静止部材の少なくとも一つは、前記軸方向に平行な断面において前記対向面に対して鋭角に傾斜するように構成された傾斜面を、前記高圧側の端面に有する。

本発明の第９形態によれば、回転機械の回転体と静止部材が、互いに半径方向に隙間を有して向かい合う部分で、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールを備えた遠心ポンプが提供される。前記非接触環状シールは、前記隙間で向かい合う回転体と静止部材の各々の面が、平行に滑らかに向かい合っているとともに、前記軸方向に平行な断面において、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間の断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角が鋭角な形状である。

本発明の第１０形態によれば、遠心ポンプの羽根車とケーシングが、互いに半径方向に隙間をもって向かい合う部分の羽根車外周に備えられ、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールのインペラリングが提供される。前記インペラリングの外周面は円筒状であり、前記インペラリングの軸方向断面において、前記インペラリングの外周面を形成する平行線と、前記インペラリングの軸方向の少なくとも一端におけるなす角が鋭角な形状である。

本発明の第１１形態によれば、遠心ポンプの羽根車とケーシングが、互いに半径方向に隙間をもって向かい合う部分のケーシング内周に備えられ、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールのケーシングリングが提供される。前記ケーシングリング内周面が円筒状であり、前記ケーシングリングの軸方向断面において、前記ケーシングリングの内周面を形成する平行線と、前記ケーシングリングの軸方向の少なくとも一端におけるなす角が鋭角な形状である。

非接触平行環状シールの、軸に平行な断面で切ったときに見られる隙間断面の平行線と、回転体と静止部材のいずれか一方の隙間断面の平行線の高圧側の起点とのなす角を鋭角
な形状とすると、鋭角にするほどシールの隙間内の圧力損失が大きくなるので、一般的に溝等を有する非接触環状シールに比べて漏れ性能が劣る平行環状シールであっても、漏れ量を低減することが可能になった。

遠心ポンプの液体の流入部及び吐出部を示す概略断面図である。 本実施形態に係る非接触環状シールのシール性能の評価装置の全体図である。 図２Ａに示した非接触環状シールの軸方向の拡大断面図である。 圧力差が１Ｋｇｆ/ｃｍ２のときの角度θｓ及び角度θｒに対する入口圧力損失を示すグラフである。 従来の非接触環状シールの軸方向断面を示す図である。 本実施形態に係る非接触環状シールの一例の軸方向断面を示す図である。 本実施形態に係る非接触環状シールの他の例の軸方向断面を示す図である。 比較例に係る非接触環状シールの軸方向断面を示す図である。 比較例に係る非接触環状シールの軸方向断面を示す図である。 比較例に係る非接触環状シールの軸方向断面を示す図である。 他の実施形態に係る非接触環状シールの静止部材の起点の拡大断面図である。 尖縁部高さ及びシール部長さを示した非接触環状シールの概略側断面図である。 割合ｈ／Ｌに対する漏れ比を示すグラフである。 本実施形態の非接触環状シールをインペラリングとケーシングリングに用いた遠心ポンプの概略図である。 図１２Ａに示した遠心ポンプの試験装置を示す概略図である。

以下に、本実施形態に係る非接触環状シールの詳細が明らかにされる。図２Ａは、本実施形態に係る非接触環状シールのシール性能の評価装置の全体図である。図２Ａに示すように、この評価装置１０は、高圧側水槽（タンク）１２と、低圧側水槽（タンク）１４と、高圧側水槽１２と低圧側水槽１４とを区画する高低圧仕切壁１６と、を有する。高低圧仕切壁１６は、高圧側水槽１２と低圧側水槽１４とを流体連通する流路１６ａと、この流路１６ａを通過する水の流量を調整する流量調整弁１６ｂとを有する。高圧側水槽１２と低圧側水槽１４の各々は、さらに、シール性能評価槽仕切壁１２ｃ，１４ｃを有する。シール性能評価槽仕切壁１２ｃにより、高圧側水槽１２は、高圧槽１２ａと、評価用高圧槽１２ｂとに仕切られる。同様に、シール性能評価槽仕切壁１４ｃにより、低圧側水槽１４は、低圧槽１４ａと、評価用低圧槽１４ｂとに仕切られる。高圧槽１２ａと低圧槽１４ａは、高低圧仕切壁１６に設けられた流路１６ａにより互いに連通する。評価用高圧槽１２ｂ及び評価用低圧槽１４ｂは、シール性能評価槽仕切壁１２ｃ，１４ｃにより高圧槽１２ａ及び低圧槽１４ａから分離されているので、高低圧仕切壁１６に設けられた流路１６ａの水の流れ等に影響されることなく、シール性能を評価することができる。

評価装置１０は、さらに、高圧槽１２ａと低圧槽１４ａとを連通するポンプ流路１７と、ポンプ流路１７に設けられるポンプ１８とを有する。ポンプ１８は、低圧槽１４ａの内部の水を加圧して高圧槽１２ａに供給する。高圧槽１２ａに供給された水は、流量調整弁１６ｂにより減圧されて低圧槽１４ａに戻る。

評価用高圧槽１２ｂと評価用低圧槽１４ｂとの間の高低圧仕切壁１６には、回転軸２０が通過する貫通孔１６ｃが設けられる。回転軸２０は、外部のモータ２１により回転するように構成される。高低圧仕切壁１６の貫通孔１６ｃの内周には、評価対象の非接触環状
シール４０を構成するケーシングリング４１が取り付けられる。ケーシングリング４１の内周面に対向する回転軸２０の外周面には、評価対象の非接触環状シール４０を構成するインペラリング４２が取り付けられる。

評価装置１０は、さらに、高圧槽１２ａと評価用高圧槽１２ｂとを連通する流路２３と、この流路２３に設けられる流量計２２とを有する。低圧槽１４ａと評価用低圧槽１４ｂとを区切るシール性能評価槽仕切壁１４ｃは、通水孔１４ｄを有する。評価用高圧槽１２ｂから非接触環状シール４０を通過して評価用低圧槽１４ｂに至った水は、シール性能評価槽仕切壁１４ｃに備えられた通水孔１４ｄから低圧槽１４ａに流入する。このように、評価装置１０によれば、ポンプ１８により発生する主流の流れの影響を受けずに、非接触環状シール４０のシール性能の評価を行うことができる。

図２Ｂは、図２Ａに示した非接触環状シール４０の軸方向の拡大断面図である。図２Ｂにおいては、非接触環状シール４０の軸方向における圧力を示すグラフが併記されている。評価用高圧槽１２ｂ（高圧側）の非接触環状シール４０に近い位置Ｂと、位置Ｂよりも遠い位置Ａの圧力が、それぞれ圧力計Ｐ_Ｂと圧力計Ｐ_Ａにより計測される（図２Ａ参照）。評価用低圧槽１４ｂ（低圧側）の非接触環状シール４０に近い位置Ｃと、位置Ｃより遠い位置Ｄの圧力が、それぞれ圧力計Ｐ_Ｃと圧力計Ｐ_Ｄにより計測される（図２Ａ参照）。非接触環状シール４０に近い位置Ｂと位置Ｃの各々と非接触環状シール４０の端部との間の軸方向距離は、インペラリング４２とケーシングリング４１の平均隙間の大きさの３０倍以下である。位置Ａと位置Ｄの各々と非接触環状シール４０の端部との間の軸方向距離は、インペラリング４２とケーシングリング４１の平均隙間の長さの５０倍以上である。

本実施形態の非接触環状シール４０は、インペラリング４２の外周面とケーシングリング４１の内周面とが、ともに平滑であり、互いに略平行になるように配置された平行環状シールである。非接触環状シール４０のインペラリング４２は回転軸２０に設けられ、ケーシングリング４１は静止部材（高低圧仕切壁１６）に設けられる。ここで、インペラリング４２及びケーシングリング４１の高圧側端部を起点４３として、軸方向と半径方向になす角を各々θｒ、θｓとする。言い換えれば、図２Ｂに示す軸方向断面において、ケーシングリング４１の内面と、ケーシングリング４１の高圧側端面とのなす角をθｓとし、インペラリング４２の外面と、インペラリング４２の高圧側端面とのなす角をθｒとする。

次に、評価装置１０の評価方法について説明する。図２Ａの評価装置１０においては、非接触環状シール４０の隙間の間隔は一定であり、非接触環状シール４０の軸方向に高圧側（評価用高圧槽１２ｂ）と低圧側（評価用低圧槽１４ｂ）が形成される。この評価装置１０において、回転軸２０をポンプの運転時の回転数に回転させた状態で、高圧側（評価用高圧槽１２ｂ）から低圧側（評価用低圧槽１４ｂ）に通水した。水は、非接触環状シール４０の隙間を通るときに、回転軸２０の回転により周方向に強いせん断力を受けて、回転軸２０周囲の狭い隙間を周回（旋回）しながら低圧側（評価用低圧槽１４ｂ）に流れる。

高低圧仕切壁１６に設けられた流量調整弁１６ｂを調整することで、高圧側（評価用高圧槽１２ｂ）と低圧側（評価用低圧槽１４ｂ）の圧力差を０．１Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１０Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１００Ｋｇｆ/ｃｍ^２とした。それぞれの圧力差の場合に、ケーシングリング４１の角度θｓとインペラリング４２の角度θｒを９０度、６０度、４５度、３０度としたときの隙間を流れる水の流れを評価した。尚、高圧側と低圧側の圧力差は、位置Ａと位置Ｄの圧力値の差である。

その結果、圧力差が０．１Ｋｇｆ/ｃｍ^２の場合では、角度θｓ及び角度θｒの大きさ
による影響は見られなかった。一方で、圧力差が１Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１０Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１００Ｋｇｆ/ｃｍ^２の場合には、角度θｓ及び角度θｒの大きさによる影響が見られた。具体的には、角度θｓ及び角度θｒの大きさを鋭角にするほど、隙間を流れる水に作用する抵抗が増大することがわかった。すなわち、位置Bの圧力降下δPは、角度θｓ及び角度θｒが９０度、６０度、４５度、３０度と鋭角になるに従って大きくなった。また、それに伴い、非接触環状シール４０の隙間を流れる漏れ流量は、角度θｓ及び角度θｒが９０度、６０度、４５度、３０度となるに従い低減した。このような傾向は、圧力差が１Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１０Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１００Ｋｇｆ/ｃｍ^２の場合で同じように見られた。

図３は、圧力差が１Ｋｇｆ/ｃｍ^２のときの、角度θｓ及び角度θｒに対する入口圧力損失を示すグラフである。なお、ここでは角度θｓと角度θｒは同一である。図３に示すように、角度θｓ及び角度θｒが９０度のときの入口圧力損失を１としたときに、角度θｓ及び角度θｒが４５度のときの入口圧力損失は、およそ倍となっている。

次に発明者は、図４から図９に示す６種類の非接触環状シール４０について、各シールにおける水の漏洩性能、振動性能、及びコストの評価を行った。ここで、図４から図９に示す非接触環状シール４０において、インペラリング４２の外径、インペラリング４２とケーシングリング４１の平均隙間ＡＳ、シール部長さＬ（非接触環状シール４０の軸方向長さ）、回転軸２０の回転数、高圧側と低圧側の圧力差は全て同一の条件である。尚、高圧側と低圧側の圧力差は、１Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１０Ｋｇｆ/ｃｍ^２、１００Ｋｇｆ/ｃｍ^２の場合について測定した。

図４は、従来の非接触環状シール４０の軸方向断面を示す図である。図４に示す非接触環状シール４０の軸方向断面において、ケーシングリング４１とインペラリング４２の対向する面を形成する線は、高圧側から低圧側まで終始平行線を形成する。即ち、請求項４の非接触環状シール４０のケーシングリング４１の内面とインペラリング４２の外面はともに平滑であり互いに平行に対向する。また、ケーシングリング４１とインペラリング４２の高圧側の起点４３がなす角度θｓ及び角度θｒはともに９０°である。

図５は、本実施形態に係る非接触環状シール４０の一例の軸方向断面を示す図である。図５に示す非接触環状シール４０は、図４と同様に、ケーシングリング４１とインペラリング４２が互いに対向する平滑な面（対向面）を有する。図５に示すように、ケーシングリング４１の高圧側の端面は、軸方向に対して傾斜した傾斜面４４と、傾斜面４４から軸方向に直交して径方向外側に延在する平坦面４５とを有する。図５に示す断面において、傾斜面４４は、ケーシングリング４１の内面に対して鋭角に傾斜するように構成される。即ち、起点４３は、傾斜面４４と、ケーシングリング４１の内面（対向面の一例に相当する）との交差点を意味する。図５に示す非接触環状シール４０では、ケーシングリング４１の高圧側の起点４３がなす角度θｓは鋭角である。一方で、インペラリング４２の高圧側の起点４３がなす角度θｒは９０°である。本明細書において、図５に示す非接触環状シール４０を実施例１とする。

図６は、本実施形態に係る非接触環状シール４０の他の例の軸方向断面を示す図である。図６に示す非接触環状シール４０では、ケーシングリング４１の高圧側の起点４３がなす角度θｓ及びインペラリング４２の高圧側の起点４３がなす角度θｒは鋭角である。図６に示す非接触環状シール４０は、図４と同様に、ケーシングリング４１とインペラリング４２が互いに対向する平滑な面（対向面）を有する。図６に示すように、ケーシングリング４１の高圧側の端面は、軸方向に対して傾斜した傾斜面４４と、傾斜面４４から軸方向に直交して径方向外側に延在する平坦面４５とを有する。同様に、インペラリング４２の高圧側の端面は、軸方向に対して傾斜した傾斜面４４と、傾斜面４４から軸方向に直交して径方向外側に延在する平坦面４５とを有する。図６に示す断面において、インペラリ
ング４２及びケーシングリング４１の傾斜面４４は、それぞれ、インペラリング４２の外面及びケーシングリング４１の内面に対して鋭角に傾斜するように構成される。本明細書において、図６に示す非接触環状シール４０を実施例２とする。

図７は、比較例に係る非接触環状シール４０の軸方向断面を示す図である。図７に示す非接触環状シール４０は、ケーシングリング４１の内面に回転方向の２条の溝４６を有する。溝４６は、非接触環状シール４０の軸方向中央部よりも低圧側に位置する。図７に示す非接触環状シール４０の他の部分は、図６に示した非接触環状シール４０と同様である。本明細書において、図７に示す非接触環状シール４０は比較例１とする。

図８は、比較例に係る非接触環状シール４０の軸方向断面を示す図である。図８に示す非接触環状シール４０は、ケーシングリング４１の内面に回転方向の６条の溝４６を有する。溝４６は、非接触環状シール４０の軸方向に沿って等間隔に形成される。図８に示す非接触環状シール４０の他の部分は、図６に示した非接触環状シール４０と同様である。本明細書において、図８に示す非接触環状シール４０は比較例２とする。

図９は、比較例に係る非接触環状シール４０の軸方向断面を示す図である。図９に示す非接触環状シール４０は、比較例２と同様にケーシングリング４１の内面に回転方向の６条の溝４６を有する。溝４６は、非接触環状シール４０の軸方向に沿って等間隔に形成される。図９に示す非接触環状シール４０の他の部分は、図４に示した非接触環状シール４０と同様である。本明細書において、図９に示す非接触環状シール４０は比較例３とする。

以上で説明した図４から図９に示した非接触環状シール４０における漏洩性能比、振動性能比、及びコスト比を比較した結果の一例を表１に示す。表１においては、図４に示した従来の非接触環状シール４０の漏洩性能比、振動性能比、及びコスト比を１００とした。漏洩性能比は、漏洩量が多くなるほど小さい数値を示し、漏洩量が少ないほど大きい数値を示す。振動性能比は、振動が激しいほど小さい数値を示し、振動が少ないほど大きい数値を示す。コスト比は、コストが大きいほど小さい数値を示し、コストが小さいほど大きい数値を示す。即ち、いずれの指標においても、数値が大きいほど好ましい結果を示す。尚、鋭角にした角度θｓ及び角度θｒは、６０°である。

表１に示されるように、角度θｓ及び角度θｒのいずれか一方又は両方が鋭角である非接触環状シール４０、すなわち、実施例１及び実施例２の非接触環状シール４０が、従来の非接触環状シールと比べて、漏洩性能、振動性能、およびコストによる総合評価が高い。特に、実施例１及び実施例２の非接触環状シール４０には、従来の非接触環状シールには見られない漏洩性能の向上があった。

また、比較例１から比較例３の漏洩性能比の結果を参照すると、ケーシングリング４１及びインペラリング４２の角度θｓ及び角度θｒを鋭角にすることにより、漏洩性能が向上したことがわかる。しかしながら、比較例１から比較例３は、溝加工がなされていることから、振動性能比およびコスト比の評価が低い。このため、総合的に評価した場合には、実施例１及び実施例２の非接触環状シール４０のように、ケーシングリング４１の内面とインペラリング４２の外面が平滑な非接触環状シール、つまり非接触平行環状シールにおいて、角度θｓ及び角度θｒの少なくとも一方を鋭角とするとよいことが判った。尚、作動流体である非圧縮性流体として、水だけでなく、アルコール及びアンモニアについても同様の評価を行ったところ、同様な傾向が見られた。

以上の評価試験から、非圧縮性流体を作動流体とする回転機械の回転体と静止部材が非接触平行環状シールを構成する場合、溝や穴などが形成された環状シール、例えば比較例１から比較例３における平行溝付きシールのような圧力変動が生じないので、力の不均衡又は液体の流速の変化が生じず、振動が抑制されると考えられる。

次に発明者は、実用に供せる条件の検討を進めた。図１０は、他の実施形態に係る非接触環状シール４０の静止部材の起点４３の拡大断面図である。図１０に示すように、非接触環状シール４０は、インペラリング等の回転体５１と、ケーシングリング等の静止部材５２とを有する。回転体５１と静止部材５２との間には、隙間σが設けられる。また、これまでの試験では注目していなかったが、現実的には、応力の集中を回避するために静止部材５２の高圧側の端面は、軸方向と直交する面を有する面取り部５３がある。静止部材５２の高圧側の端面は、さらに、軸方向に対して傾斜した傾斜面５４と、傾斜面５４から軸方向に直交して径方向外側に延在する平坦面５５とを有する。面取り部５３は、静止部材５２の内面から径方向外側に延在する。また、傾斜面５４は、面取り部５３から径方向外側に延在する。非接触環状シール４０の内面と高圧側の端面との交差部（起点４３）を鋭角にする場合、即ち、図１０に示すように起点４３が面取りされる場合は、起点４３は、静止部材５２の内面から延長した仮想線と、傾斜面５４から延長した仮想線の交点になる。ここで、鋭角の起点４３の面取り幅Ｃにより、漏洩性能がどのように変化するかを検討した。

表２は、起点４３の角度θｓと、隙間σに対する面取幅Ｃの割合との間の漏洩性能比の関係を示した表である。表２には、角度θｓとして６０度、４５度、３０度、１５度、９０度の場合が示される。漏洩性能比は、図４の従来の非接触平行環状シールの漏洩量を１００として、漏洩量が少ないほど大きい数値を示す。図４の従来の非接触平行環状シールは９０度の角度θｓを有し、この場合、面取りは行われない。また、Ｃ／σがゼロの場合とは、面取り加工を行っていない状態を意味する。（尚、表１における試験ではＣ／σは２．５である。）

表２から読み取られるように、隙間σに対する面取幅Ｃの割合が１０以下である場合に、図４の従来の非接触平行環状シールに比べて漏洩性能比が向上している。角度θｓとしては、現実的には９０度未満１５度以上とすることができるが、加工の程度及び強度を考慮すると、６０度以下１５度以上が好ましく、隙間σに対する面取幅Ｃの割合は０より大
きく２．５以下が好ましいといえる。

次に、発明者は、ケーシングリング４１又はインペラリング４２の起点４３の平坦面４５からの高さを尖縁部高さｈと定義し、尖縁部高さｈとシール部長さＬの割合ｈ／Ｌに対する漏れ比を検討した。図１１Ａは、尖縁部高さｈ及びシール部長さＬを示した非接触環状シール４０の概略側断面図である。図１１Ｂは、割合ｈ／Ｌに対する漏れ比を示すグラフである。ここで尖縁部高さｈが０の場合、割合ｈ／Ｌは０である。即ち、この場合は角度θが９０度となり、従来の非接触平行環状シールを意味する。図１１Ｂでは、この従来の非接触平行環状シールの漏れ比、即ち従来の非接触平行環状シールの漏れ量を１００としたときの漏れ量の割合を縦軸に表している。尚、漏洩性能比は漏れ比の逆数にあたる。図１１Ｂに示すように、割合ｈ／Ｌの値が０．２から０．５のとき、漏れ量を従来の非接触平行環状シールに比べて９０％程度に抑えられることがわかった。

図１２Ａは、本実施形態の非接触環状シール４０をインペラリングとケーシングリングに用いた遠心ポンプの概略図である。遠心ポンプ７０は、回転軸７１と、回転軸７１に取り付けられた羽根車７２と、羽根車を収容するケーシング７３と、を有する。羽根車７２のシュラウド７２ａの吸込側外周面には、インペラリング４２が取り付けられる。ケーシング７３は、羽根車７２の中心に水等の液体を供給する吸込口７５と、羽根車７２の回転による遠心力により加圧された水等の液体を外部に供給する吐出口７６とを有する。また、ケーシング７３は、インペラリング４２と対向する内面に、ケーシングリング４１を有している。また、回転軸７１はケーシング７３の外部のモータ等の駆動機７７と接続されている。回転軸７１とケーシング７３との隙間には軸封装置７８が配置され、ケーシング７３内部の液体が外部に漏洩することが抑制される。

図１２Ａの遠心ポンプ７０のインペラリング４２とケーシングリング４１に、従来の非接触平行環状シールと本実施形態の非接触平行環状シール４０を用いた場合のそれぞれにおいて、遠心ポンプ７０の性能評価を行った。従来の非接触平行環状シールは、向かい合うインペラリング４２とケーシングリング４１の各々の面が、高圧側から低圧側まで平行に滑らかに向かい合ったものである。言い換えれば、従来の非接触平行環状シールは、インペラリング４２の外周面とケーシングリング４１の内周面とが平滑であり、互いに平行に対向している。また、本実施形態の非接触平行環状シール４０のインペラリングの外径、インペラリングとケーシングリングの平均隙間、及びシール部長さは、従来の非接触平行環状シールと同一である。しかし、本実施形態の非接触平行環状シール４０は、ケーシングリング４１およびインペラリング４２の高圧側の角度θｓ及び角度θｒを鋭角とし、割合ｈ/Ｌの値を０．２以上０．５以下とした。

図１２Ｂは、図１２Ａに示した遠心ポンプ７０の試験装置を示す概略図である。図１２Ｂに示すように、試験装置９０は、液体を溜めた水槽９１と、遠心ポンプ７０に液体を供給する吸込配管９２と、遠心ポンプ７０が排出した液体を水槽９１に戻す吐出配管９３とを有する。吸込配管９２には、内部の圧力を計測する吸込圧力計Ｐｓが設けられる。吐出配管９３には、圧力を計測する吐出圧力計Ｐｄと、吐出配管９３を流れる液体の流量を計測する流量計ＦＭと、吐出配管９３の開度を調節するバルブ９４とが設けられる。

図１２Ｂに示されるように、水槽９１に溜められた水等の液体は、遠心ポンプ７０の吸込口７５に流入し、遠心ポンプ７０により加圧されて流量計ＦＭ及びバルブ９４を経由して再び水槽９１に戻る。試験装置９０において、図１２Ａに示したモータ２１を遠心ポンプ７０の通常駆動時の回転数で駆動し、バルブ９４の開度を調整する。これにより、遠心ポンプ７０は所定流量を移送することができる。この状態において、吸込圧力計Ｐｓ及び吐出圧力計Ｐｄにより、吸込圧及び吐出圧を測定した。

なお、上述したように、遠心ポンプ７０の吸込口７５から羽根車７２の中心部に流入する液体は、羽根車７２の回転により遠心力を受け、加圧されて羽根車７２の径方向に流出する。液体は、ケーシング７３のボリュートに沿って旋回して、吐出口７６からケーシング７３の外部に流出する。羽根車７２の径方向に流出した液体のうち、ケーシング７３の吐出口７６から流出する液体とは別に、僅かな液体が、羽根車７２とケーシング７３の間を通過し、インペラリング４２とケーシングリング４１の間を通過して吸込口７５に戻る。言い換えると、羽根車７２から吐出した液体の一部は、回転機械のポンプ機能による流れ方向とは異なる方向に向けて流れる。したがって、この流れは、ケーシング７３のボリュートに沿って旋回して吐出口７６からケーシング７３の外部に流出する主な流れ（主流）に乱されることがない。

図１２Ｂに示した試験装置９０にて、遠心ポンプ７０の性能評価をした結果、従来の非接触平行環状シールを備えた場合と比べて本実施形態の非接触平行環状シールを用いた場合は、最高効率で約１．０％上昇した。このときの、吐出圧力計Ｐｄと吸込圧力計Ｐｓの圧力差は１Ｋｇｆ／ｃｍ²以上１Ｋｇｆ／ｃｍ²以下であった。従来の非接触環状シールを用いた場合と本実施形態の非接触環状シールを用いた場合のいずれも、顕著な振動はなく静かな運転状態であった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。

２０…回転軸
４０…非接触環状シール
４１…ケーシングリング
４２…インペラリング
４３…起点
４４…傾斜面
５１…回転体
５２…静止部材
５３…面取り部
５４…傾斜面
５５…平坦面
７０…遠心ポンプ
７１…回転軸
７２…羽根車
７３…ケーシング

Claims (10)

1. 回転機械の回転体と、前記回転体と半径方向に隙間を有して対向する静止部材とを備え、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールであって、
   前記回転体及び前記静止部材は、互いに対向する平滑な対向面を有し、
   前記回転体及び前記静止部材の少なくとも一つは、前記軸方向に平行な断面において前記対向面に対して鋭角に傾斜するように構成された傾斜面を、前記高圧側の端面に有し、
   前記隙間の前記高圧側の入り口は、前記回転機械のポンプ機能による流れ方向とは異なる方向に向けた流れが流入し、
   前記回転体と該静止部材の該隙間を形成する平行線の長さLと、該回転体及び前記静止
   部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす鋭角により形成される尖縁部高さｈとの比ｈ／Ｌが０．２以上０．５以下である、非接触環状シール。
2. 回転機械の回転体と静止部材が、互いに半径方向に隙間を有して向かい合う部分で、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールにおいて、
   前記隙間で向かい合う回転体と静止部材の各々の面が、平行に滑らかに向かい合っているとともに、
   前記軸方向に平行な断面において、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間の断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角が鋭角な形状であり、
   前記隙間の高圧側入り口は、前記回転機械のポンプ機能による流れ方向とは異なる方向に向けた流れが流入し、
   前記回転体と該静止部材の該隙間を形成する平行線の長さLと、該回転体及び前記静止
   部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす鋭角により形成される尖縁部高さｈとの比ｈ／Ｌが０．２以上０．５以下であることを特徴と
   する非接触環状シール。
3. 前記回転体と前記静止部材の前記隙間で向かい合う各々の面が、前記隙間の高圧側端部から低圧側端部まで平行に滑らかに向かい合っていることを特徴とする請求項２に記載の非接触環状シール。
4. 前記隙間の高圧側と低圧側の圧力差は１ｋｇｆ/ｃｍ２以上であることを特徴とする請
   求項２または３に記載の非接触環状シール。
5. 前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角は１５度から６０度であることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の非接触環状シール。
6. 回転体と、前記回転体と半径方向に隙間を有して対向する静止部材とを備え、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールを備えた遠心ポンプにおいて、
   前記回転体及び前記静止部材は、互いに対向する平滑な対向面を有し、
   前記回転体及び前記静止部材の少なくとも一つは、前記軸方向に平行な断面において前記対向面に対して鋭角に傾斜するように構成された傾斜面を、前記高圧側の端面に有する、遠心ポンプ。
7. 回転機械の回転体と静止部材が、互いに半径方向に隙間を有して向かい合う部分で、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールを備えた遠心ポンプにおいて、
   前記非接触環状シールは、前記隙間で向かい合う回転体と静止部材の各々の面が、平行に滑らかに向かい合っているとともに、
   前記軸方向に平行な断面において、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間の断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角が鋭角な形状であることを特徴とする遠心ポンプ。
8. 遠心ポンプの羽根車とケーシングが、互いに半径方向に隙間をもって向かい合う部分の羽根車外周に備えられ、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールのインペラリングにおいて、
   前記インペラリングの外周面は円筒状であり、
   前記インペラリングの軸方向断面において、前記インペラリングの外周面を形成する平行線と、前記インペラリングの軸方向の少なくとも一端におけるなす角が鋭角な形状であることを特徴とするインペラリング。
9. 遠心ポンプの羽根車とケーシングが、互いに半径方向に隙間をもって向かい合う部分のケーシング内周に備えられ、前記隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールのケーシングリングにおいて、
   前記ケーシングリング内周面が円筒状であり、
   前記ケーシングリングの軸方向断面において、前記ケーシングリングの内周面を形成する平行線と、前記ケーシングリングの軸方向の少なくとも一端におけるなす角が鋭角な形状であることを特徴とするケーシングリング。
10. 回転機械の回転体と静止部材が、互いに半径方向に隙間を有して向かい合う部分で、該隙間の高圧側から低圧側に軸方向に流れる流体の流量を低減する非接触環状シールにおいて、
    前記隙間で向かい合う回転体と静止部材の各々の面が、平行に滑らかに向かい合っているとともに、
    前記軸方向に平行な断面において、前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線と、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間の断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす角が鋭角な形状であり、
    前記回転体と前記静止部材の前記隙間を形成する平行線の長さＬと、前記回転体及び前記静止部材の少なくともいずれか一方の前記隙間断面の平行線の前記高圧側の起点とのなす鋭角により形成される尖縁部高さｈとの比ｈ／Ｌが０．２以上０．５以下である、非接触環状シール。

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